рис. 1.109Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более p-n-переходов.

Тиристор по своему принципу — прибор ключевого действия. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном — разомкнутому ключу. Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (динисторами). Иначе тиристоры называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.

Они являются основными элементами в силовых устройствах электроники, которые называют также устройствами преобразовательной техники. Типичными представителями таких устройств являются управляемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в однонаправленное) и инверторы (преобразуют постоянное напряжение в переменное). Динисторы, как правило, используются в слаботочных импульсных устройствах.

Существует большое количество различных тиристоров. Для определенности вначале обратимся к так называемому управляемому по катоду незапираемому тиристору с тремя выводами (два силовых и один управляющий), который проводит ток только в одном направлении.

Дадим упрощенное изображение структуры тиристора (рис. 1.109) и его условное графическое обозначение (рис. 1.110).

рис. 1.109

рис. 1.100



Обратимся к простейшей схеме с тиристором (рис. 1.111), где использованы следующие обозначения:

iaток анода (силовой ток в цепи анод-катод тиристора);

uакнапряжение между анодом и катодом;

iyток управляющего электрода (в реальных схемах используют импульсы тока);

uукнапряжение между управляющим электродом и катодом;

uпитнапряжение питания.

рис. 1.111

Предположим, что напряжение питания меньше так называемого напряжения переключения uпеp (uпит < uпеp) и что после подключения источника питания импульс управления на тиристор не подавался. Тогда тиристор будет находиться в закрытом (выключенном) состоянии. При этом p-n-переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а переход П2 — в обратном направлении (см. рис. 1.109), поэтому ток тиристора будет малым (ia = 0) и будут выполняться соотношения uак = uпит, uR = 0 (нагрузка отключена от источника питания).

Если предположить, что выполняется соотношение uпит > uпеp или что после подключения источника питания (даже при выполнении условия uпит < uпеp) был подан импульс управления достаточной величины, то тиристор будет находиться в открытом (включенном) состоянии. При этом все три перехода будут смещены в прямом направлении и будут выполняться соотношения uак ~ 1В, ia = uпит / Rн, uR = uпит (т. е. нагрузка оказалась подключенной к источнику питания).

Существуют тиристоры, для которых напряжение uпеp больше, чем 1кВ, а максимально допустимый ток ia больше, чем 1кА.

При изучении принципа работы тиристора очень важно понять, что происходит в момент его включения и почему переход П2 во включенном состоянии смещен в прямом направлении. Для соответствующих объяснений обратимся к условному изображению структуры тиристоpa (рис. 1.112).

рис. 1.112

Можно заметить, что такая структура соответствует схеме на двух транзисторах (рис. 1.113).

рис. 1.113

Вначале рассмотрим процесс включения тиристора при uак = uпеp и iy = 0 (так называемое включение по аноду), однако такой способ включения не рекомендуется использовать на практике.

Имеют место соотношения:

iк1 = αст1 · iэ1 + iко1

iк2 = αст2 · iэ2 + iко2

где αст1, αст2, iко1, iко2  — соответственно статические коэффициенты передачи токов эмиттеров и обратные токи коллекторов транзисторов Т1 и Т2.

Обозначим через iко общий обратный ток p-n-перехода П2, тогда

iко = iко1 + iко2

Получим

iа = iэ1 = iэ2 = iк1 + iк2

Откуда

iа = αст1 · iа + αст2 · iа + iко

iа = iко / [ 1- (αст1 + αст2) ]

Как уже отмечалось, коэффициенты передачи токов транзисторов изменяются при изменении режимов работы транзисторов.

При малых токах αст1 + αст2 << 1 и через тиристор протекает ток iaiко. При увеличении напряжения uак ток iко возрастает, и вместе с этим возрастают коэффициенты αст1 и αст2. При приближении суммы αст1 + αст2 к единице ток ia резко, скачкообразно возрастает и тиристор переходит в открытое (включенное) состояние, после чего ток в схеме ограничивается только сопротивлением нагрузки Rн. Время, в течение которого тиристор переходит во включенное состояние, составляет доли микросекунды или единицы микросекунд (это так называемое время включения tвкл).

Так как токи баз транзисторов велики и приближаются по своим значениям к токам коллекторов, оба транзистора находятся в режиме насыщения. Это означает, что переход П2 тиристора смещен в прямом направлении.

Процесс включения тиристора можно объяснить и не прибегая к представлению тиристора в виде двух транзисторов. Но и при таком анализе вывод остается прежним: переход П2 во включенном состоянии смещен в прямом направлении. Такое состояние перехода П2 обеспечивается наличием избыточной (по сравнению с выключенным состоянием тиристора) концентрацией в слоях n1 и p2 неосновных и основных носителей электричества. Это означает, что во включенном состоянии в указанных слоях имеются избыточные заряды.

Динисторы, естественно, могут включаться только по аноду.

Теперь рассмотрим процесс включения тиристора при подаче импульса управления и при условии, что uак < uпеp (так называемое включение по управляющему электроду). Это рекомендуемый способ включения.

Обратимся к эквивалентной схеме на двух транзисторах (см. рис. 1.113). Легко увидеть, что подача положительного напряжения на управляющий электрод относительно катода вызывает появление тока базы транзистора Т2. Это приводит к включению транзисторов эквивалентной схемы, т. е. к включению тиристора, причем, чем больше ток управления, тем при меньшей величине напряжения uак происходит включение тиристора. После окончания импульса управления тиристор остается включенным.

Характерной особенностью рассматриваемого незапираемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с помощью тока управления.

Для выключения тиристора на практике на него подают обратное напряжение uак < 0 и поддерживают это напряжение в течение времени, большего так называемого времени выключения tвыкл. Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд. За это время избыточные заряды в слоях n1 и р2 исчезают. Для выключения тиристора напряжение питания uпит в приведенной выше схеме (см. рис. 1.111) должно изменить полярность.

После указанной выдержки времени на тиристор вновь можно подать прямое напряжение (uак > 0), и он будет выключенным до подачи импульса управления.

Тиристор выключается также в случае, когда обратное напряжение не подается, но ток ia уменьшается до некоторой малой величины, называемой током удержания iуд. При этом напряжение на тиристоре увеличивается скачкообразно. Такой способ выключения на практике используется редко, так как время выключения при этом оказывается значительным.

Существуют так называемые запираемые тиристоры, которые могут быть выключены с помощью тока управления.

Если на тиристор подано обратное напряжение uак < 0, то переходы П1 и Псмещаются в обратном направлении и через тиристор протекает малый обратный ток.

Существуют и широко используются так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 1.114). Дадим условное графическое обозначение симистора (рис. 1.115).

рис. 1.114 рис. 1.115


Рекомендуйте эту статью другим!



нояб 07, 2012 6626

Топливно-энергетический комплекс Российской Федерации, его значение и характеристика

Топливно-энергетический комплекс представляет собой сложную систему - совокупность…
volt
март 30, 2017 1429

Напряжение в 1 Вольт, физический смыл, простое определение

И сложно и просто: что такое напряжение в 1 вольт? Напряжение электрического тока –…
передача постоянного тока 1
нояб 02, 2013 4804

Передача постоянного тока

Интерес к передачам постоянного тока в России имеет свою давнюю историю. Построены ППТ…
июнь 20, 2013 4627

Преимущества асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, формулы, перечень

Основные преимущества использования асинхронных электродвигателей (АД) с короткозамкнутым…
aes 1
март 19, 2017 630

Атомные электростанции (АЭС), принцип работы, разновидности, типы, мощность

АЭС являются тепловыми станциями, использующими тепловую энергию ядерных реакций.…